JP2005538290A - Cylinder for internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

内燃機関用のシリンダにおいて、金属リング（６）がシリンダの頂部に設けられている。絶縁リング（７）はシリンダの頂部において、金属リングとシリンダ壁との間に設けられている。絶縁リング（７）の軸方向の長さは金属リング（６）の軸方向の長さより短く、比較的冷却されにくい部分に熱の一部がシリンダの頂部に移動しないようにする共に、シリンダの周囲に備えられた冷却通路（５）への熱伝導を妨げないようにする。In a cylinder for an internal combustion engine, a metal ring (6) is provided at the top of the cylinder. The insulating ring (7) is provided between the metal ring and the cylinder wall at the top of the cylinder. The length of the insulating ring (7) in the axial direction is shorter than the length of the metal ring (6) in the axial direction. The heat conduction to the cooling passage (5) provided around is not disturbed.

Description

本発明は、内燃機関用シリンダに関する。   The present invention relates to a cylinder for an internal combustion engine.

本発明は、特にライナー面に高熱が伝達されるシリンダの構成を改良するものである。シリンダライナーは、冷却剤を流すことにより冷却される。ライナーは、内圧や他の機械的力に対抗するために充分な厚みと強度を有している必要があるが、局部温度及びライナー内の温度勾配によってその厚みは限定されるため、熱応力や、疲労寿命の減少を引き起こす。充分な冷却を行う一方で、充分な強度及び疲労寿命を保持することは、ライナーの頂部において最も必要である。ライナーの頂部においては、局所熱流束が最も高く、また、シリンダライナーと炎板（ｆｌａｍｅ−ｐｌａｔｅ）との間に冷却通路を配置することが困難であるためである。   The present invention particularly improves the configuration of a cylinder in which high heat is transferred to the liner surface. The cylinder liner is cooled by flowing a coolant. The liner must have sufficient thickness and strength to resist internal pressure and other mechanical forces, but the thickness is limited by the local temperature and temperature gradient within the liner, so thermal stress and Cause a reduction in fatigue life. Maintaining sufficient strength and fatigue life while providing sufficient cooling is most necessary at the top of the liner. This is because the local heat flux is the highest at the top of the liner, and it is difficult to place a cooling passage between the cylinder liner and the flame-plate.

シリンダの頂部に挿入した適切な金属製のリングによって、上死点に到達したカーボンをピストンから掻き落とす構成が一般的である。この金属製リングは断熱層としても機能して、シリンダライナーの頂部において局所熱流束を減少させる。さらに、ライナーの頂部に設けられる合成セラミック製スリーブが米国特許第４，９２１，７３４号（下記特許文献１）に開示されている。   In general, the carbon that has reached the top dead center is scraped off from the piston by a suitable metal ring inserted into the top of the cylinder. This metal ring also functions as a thermal barrier, reducing the local heat flux at the top of the cylinder liner. Further, a synthetic ceramic sleeve provided on the top of the liner is disclosed in US Pat. No. 4,921,734 (Patent Document 1 below).

英国特許第２，００９，８８４号（下記特許文献２）において、テーパ状の金属製リングをシリンダの上端に備えたエンジンが開示されている。上記エンジンのピストンは、上記リングに対応するテーパを有しており、ピストンがテーパ状のリングに到達するまではシリンダ壁に接近することがないようにしている。金属製リングの内面に絶縁リングを設けてもよいし、金属製リングとシリンダとの間に空隙を設けてもよい。
米国特許第４，９２１，７３４号 英国特許第２，００９，８８４号 British Patent No. 2,009,884 (Patent Document 2 below) discloses an engine having a tapered metal ring at the upper end of a cylinder. The piston of the engine has a taper corresponding to the ring so that it does not approach the cylinder wall until the piston reaches the tapered ring. An insulating ring may be provided on the inner surface of the metal ring, or a gap may be provided between the metal ring and the cylinder.
US Pat. No. 4,921,734 British Patent 2,009,884

本発明により提供される内燃機関用のシリンダは、シリンダ全体を形成する壁と、前記壁の周囲に冷却材を流すための冷却通路と、前記シリンダの上端において前記壁の半径方向の内側に設けられた金属リングと、前記金属リングと前記壁との間に設けられた絶縁リングと、を有し、前記金属リングは前記壁よりも高熱に耐えることが可能であり、前記絶縁リングは前記金属リングの上端から前記金属リングの長さの一部だけに延びて断熱層を形成し、前記絶縁リングの近傍において前記金属リングから前記壁への熱伝導を減少させることを特徴とする。   A cylinder for an internal combustion engine provided by the present invention includes a wall that forms the entire cylinder, a cooling passage for flowing a coolant around the wall, and a radially inner side of the wall at the upper end of the cylinder. A metal ring, and an insulating ring provided between the metal ring and the wall, wherein the metal ring can withstand higher heat than the wall, and the insulating ring is formed of the metal ring. A heat insulating layer is formed extending from the upper end of the ring to a part of the length of the metal ring, and heat conduction from the metal ring to the wall is reduced in the vicinity of the insulating ring.

絶縁リングを金属リングの頂部に設けることによって、比較的冷却されにくい部分の熱の一部を冷却通路の最上部に逃がすことができる。しかし、絶縁リングが長すぎると、冷却通路の最上部への熱伝導を妨げてしまう。このために金属リングの温度が著しく上がり、熱による歪みや疲労のおそれを増加させる。また、シリンダ壁の内側の温度上昇も引き起こす。そこで、絶縁リングを金属リングの長さの一部分だけ延びるようにすることによって、この問題は解決する。   By providing the insulating ring on the top of the metal ring, part of the heat of the portion that is relatively difficult to cool can be released to the top of the cooling passage. However, if the insulating ring is too long, heat conduction to the uppermost portion of the cooling passage will be hindered. This significantly increases the temperature of the metal ring, increasing the risk of thermal distortion and fatigue. It also causes a temperature rise inside the cylinder wall. Thus, this problem is solved by extending the insulating ring only a portion of the length of the metal ring.

金属リングの長さに対する絶縁リングの正確な長さは、シリンダの寸法や運転パラメータによって変わる。熱をシリンダの頂部から逃がすと共に、冷却通路の最上部への熱伝導を可能にする範囲を知るために熱分析を行い、絶縁リングの正確な長さを決定することができる。   The exact length of the insulating ring relative to the length of the metal ring depends on the cylinder dimensions and operating parameters. Thermal analysis can be performed to determine the exact length of the insulating ring to allow heat to escape from the top of the cylinder and to know the extent to which heat conduction to the top of the cooling passage is possible.

通常、絶縁リングの軸方向の長さは金属リングの軸方向の長さの半分未満、または４分の１未満であることが好ましい。あるいは、前記絶縁リングの軸方向の長さはシリンダの穴の長さの１０％未満、好ましくは５％未満である。   In general, the axial length of the insulating ring is preferably less than half or less than a quarter of the axial length of the metal ring. Alternatively, the axial length of the insulating ring is less than 10%, preferably less than 5% of the length of the cylinder bore.

例えば、高熱運転を行う中速（３００〜１０００ｒｐｍ）エンジンなどにおいて、ピストンリングはピストンクラウンから比較的大きく離れた位置に備えられていることが多いため、その金属リングは低熱運転を行うエンジンよりも長い距離延びている。この場合、絶縁リングの軸方向長さの金属リングの軸方向長さに対する小さい割合は小さくになる。軸方向に短い金属リングを備えたエンジンにおいては、絶縁リングは金属リングの軸方向の長さに対して大きい割合を占めることになろう。   For example, in a medium speed (300 to 1000 rpm) engine that performs high heat operation, the piston ring is often provided at a position relatively far from the piston crown. It extends a long distance. In this case, a small ratio of the axial length of the insulating ring to the axial length of the metal ring is small. In engines with a short metal ring in the axial direction, the insulating ring will account for a large proportion of the axial length of the metal ring.

絶縁リングは空隙であってもよいが、セラミック製であることがより好ましい。このセラミック製リングは、金属リング及び／又はライナー上に噴射形成されてもよい。あるいは、絶縁リングは、金属リングとシリンダ壁との間の環状の隙間に挿入されるセラミックテープであってもよい。   The insulating ring may be a gap, but is more preferably made of ceramic. The ceramic ring may be spray formed on the metal ring and / or liner. Alternatively, the insulating ring may be a ceramic tape inserted into an annular gap between the metal ring and the cylinder wall.

シリンダは、ライナーを有していなくてもよいが有しているほうが好ましい。この場合、シリンダ壁は外面部とライナーとを有しており、絶縁リングはライナーと金属リングとの間に設けられている。   The cylinder does not have to have a liner, but preferably has a liner. In this case, the cylinder wall has an outer surface portion and a liner, and the insulating ring is provided between the liner and the metal ring.

金属リングは、例えばニモニック合金（Ｎｉｍｏｎｉｃ）などのニッケル合金のような耐熱合金製であるが、耐熱性であればより廉価な材料を使用してもよい。   The metal ring is made of a heat-resistant alloy such as a nickel alloy such as a mnemonic alloy, but a less expensive material may be used as long as it is heat-resistant.

金属リングはシリンダ穴内にわずかに突出している。このとき、金属リングは摩耗防止リングとして機能して、ピストンクラウンに堆積したカーボンを従来の方法で除去する。   The metal ring projects slightly into the cylinder bore. At this time, the metal ring functions as a wear prevention ring, and carbon deposited on the piston crown is removed by a conventional method.

ライナー全体にかかる高い熱流束などの状態に対応するために、冷却通路は、前記シリンダの軸方向にその周囲をらせん状に延びており、冷却速度ひいては熱伝導を向上させることが好ましい。しかし、あらゆる適切な形状の冷却通路を本発明と組み合わせて使用してもよい。   In order to cope with a state such as a high heat flux applied to the entire liner, it is preferable that the cooling passage extends spirally around the cylinder in the axial direction, thereby improving the cooling rate and thus heat conduction. However, any suitable shaped cooling passage may be used in combination with the present invention.

本発明によるシリンダの実施例について、図面を参照しながら以下に説明する。   Embodiments of a cylinder according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

シリンダ１は、鋳鉄製あるいは鋳鋼製のストロングバックライナー２を備えている。シリンダ１の上にはシリンダヘッド（図示せず）が従来の態様で備えられている。図１に部分的に示されているピストン３はピストンリング４を備えており、シリンダ内を往復動する。このピストンは本発明の構成要素ではないので、ここでは説明しない。   The cylinder 1 includes a strong back liner 2 made of cast iron or cast steel. A cylinder head (not shown) is provided on the cylinder 1 in a conventional manner. The piston 3 partially shown in FIG. 1 is provided with a piston ring 4 and reciprocates in the cylinder. This piston is not a component of the present invention and will not be described here.

シリンダライナー２はシリンダの長手方向に冷却液を流すためのらせん状の冷却通路を備えている。   The cylinder liner 2 includes a helical cooling passage for flowing a cooling liquid in the longitudinal direction of the cylinder.

ライナー２の頂部に形成された環状の溝内に、金属製リング６が挿入されている。このリングは、ニモニック合金（Ｎｉｍｏｎｉｃ）などの耐熱ニッケル合金製であることが好ましい。リングはシリンダ内の空間にわずかに突出して、摩耗防止リングとして機能する。リングは、シリンダの頂部における高熱や応力に耐え、ひずむこともない。図１から分かるように、金属製リング６は常に（上死点においてさえ）ピストンリング４の上に配置される。   A metal ring 6 is inserted into an annular groove formed at the top of the liner 2. This ring is preferably made of a heat-resistant nickel alloy such as a mnemonic alloy (Nimonic). The ring projects slightly into the space in the cylinder and functions as a wear prevention ring. The ring withstands high heat and stress at the top of the cylinder and does not distort. As can be seen from FIG. 1, the metal ring 6 is always placed on the piston ring 4 (even at top dead center).

金属製リング６の頂部に形成された環状の溝内において、金属製リングとライナー２の間に絶縁リング７が挿入される。この絶縁リングは、スーパーウールペーパーなどのセラミック製であることが好ましい。   An insulating ring 7 is inserted between the metal ring and the liner 2 in an annular groove formed at the top of the metal ring 6. This insulating ring is preferably made of ceramic such as super wool paper.

上記の位置において絶縁リング７は、金属製リング６の頂部とライナー２との間の断熱層として機能する。このため、シリンダ内から金属製リングへと伝達された熱が絶縁リング７を介してライナー２の上端部に伝わることが妨げられる。代わりに、シリンダライナー２における絶縁リングの下方部位へ優先的に熱が伝達される。その結果、ライナー２における冷却通路５に近い部位に熱が効果的に伝達されて、冷却剤によって熱を除去することができる。綿密な有限要素法計算によれば、上記構成によってライナーにおける熱応力を減少させると共に、耐用年数を向上させることができる。   In the above position, the insulating ring 7 functions as a heat insulating layer between the top of the metal ring 6 and the liner 2. For this reason, the heat transmitted from the cylinder to the metal ring is prevented from being transmitted to the upper end portion of the liner 2 through the insulating ring 7. Instead, heat is preferentially transferred to the lower part of the insulating ring in the cylinder liner 2. As a result, heat is effectively transmitted to a portion of the liner 2 close to the cooling passage 5 so that the heat can be removed by the coolant. According to thorough finite element calculation, the above configuration can reduce the thermal stress in the liner and improve the service life.

本実施例において、シリンダの穴の寸法は３７０ｍｍ、金属製リング６の軸方向寸法は７５ｍｍ、絶縁リング７の軸方向寸法は１０ｍｍである。   In the present embodiment, the cylinder hole has a dimension of 370 mm, the metal ring 6 has an axial dimension of 75 mm, and the insulating ring 7 has an axial dimension of 10 mm.

金属製リングの外側に絶縁層を設ける構成は、エンジンの一部に穴をあけて形成した、ライナーを備えていないシリンダにおいても使用できる。シリンダライナーを備えている構成においては、金属製リングによって高熱の燃焼ガスから絶縁リングが保護される一方で、絶縁リングによってエンジン内の熱応力が減少される。   The configuration in which the insulating layer is provided outside the metal ring can be used even in a cylinder that is formed by making a hole in a part of the engine and does not include a liner. In the configuration including the cylinder liner, the metal ring protects the insulating ring from the hot combustion gas, while the insulating ring reduces the thermal stress in the engine.

図１は、シリンダとそれに対応するピストンの一部の上部左側を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the upper left side of a part of a cylinder and a corresponding piston.

符号の説明Explanation of symbols

１ シリンダ
２ ストロングバックライナー
３ ピストン
４ ピストンリング
５ 冷却通路
６ 金属製リング
７ 絶縁リング 1 Cylinder 2 Strong Back Liner 3 Piston 4 Piston Ring 5 Cooling Passage 6 Metal Ring 7 Insulating Ring

Claims (15)

全体を形成する壁と、前記壁の周囲に冷却材を流すための冷却通路と、前記壁の上端において半径方向の内側に設けられた金属リングと、前記金属リングと前記壁との間に設けられた絶縁リングと、を有する内燃機関用のシリンダであって、前記金属リングは前記壁よりも高熱に耐えることが可能であり、前記絶縁リングは前記金属リングの上端から前記金属リングの長さの一部だけに延びて断熱層を形成し、前記絶縁リングの近傍において前記金属リングから前記壁への熱伝導を減少させることを特徴とする、内燃機関用のシリンダ。   A wall forming the whole, a cooling passage for flowing coolant around the wall, a metal ring provided radially inward at the upper end of the wall, and provided between the metal ring and the wall A cylinder for an internal combustion engine, wherein the metal ring is capable of withstanding higher heat than the wall, and the insulating ring is a length of the metal ring from an upper end of the metal ring. A cylinder for an internal combustion engine, characterized in that a heat insulating layer is formed by extending only to a part of the cylinder to reduce heat conduction from the metal ring to the wall in the vicinity of the insulating ring. 前記絶縁リングは、前記金属リングの軸方向の半分未満の長さである、請求項１に記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 1, wherein the insulating ring has a length less than half of an axial direction of the metal ring. 前記絶縁リングは、前記金属リングの軸方向の４分の１未満の長さである、請求項１に記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 1, wherein the insulating ring has a length less than a quarter of an axial direction of the metal ring. 前記絶縁リングの軸方向の長さは、前記シリンダ穴の長さの１０％未満である、請求項１〜３のいずれか１つに記載のシリンダ。   The cylinder according to any one of claims 1 to 3, wherein an axial length of the insulating ring is less than 10% of a length of the cylinder hole. 前記絶縁リングの軸方向の長さは、前記シリンダ穴の長さの５％未満である、請求項４に記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 4, wherein an axial length of the insulating ring is less than 5% of a length of the cylinder hole. 前記絶縁リングはセラミック製である、請求項１〜５のいずれか１つに記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 1, wherein the insulating ring is made of ceramic. 前記絶縁リングはセラミックテープである、請求項６に記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 6, wherein the insulating ring is a ceramic tape. 前記絶縁リングは前記金属リング及び／又はライナー上に噴射形成される、請求項６に記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 6, wherein the insulating ring is formed by injection on the metal ring and / or liner. 前記絶縁リングは空隙である、請求項１〜５のいずれか１つに記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 1, wherein the insulating ring is a gap. 前記壁は外面部とライナーとを有しており、前記絶縁リングは前記ライナーと前記金属リングとの間に設けられている、請求項１〜９のいずれか１つに記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 1, wherein the wall has an outer surface portion and a liner, and the insulating ring is provided between the liner and the metal ring. 前記金属リングは、耐熱合金製である、請求項１〜１０のいずれか１つに記載のシリンダ。   The cylinder according to any one of claims 1 to 10, wherein the metal ring is made of a heat-resistant alloy. 前記金属リングはニッケル合金製である、請求項１１に記載のシリンダ。   The cylinder according to claim 11, wherein the metal ring is made of a nickel alloy. 前記金属リングはニモニック合金製である、請求項１２に記載のシリンダ。   The cylinder of claim 12, wherein the metal ring is made of a mnemonic alloy. 前記金属リングはシリンダ穴内にわずかに突出しており、前記ピストンに対する摩耗防止リングとして機能する、請求項１〜１３のいずれか１つに記載のシリンダ。   The cylinder according to any one of claims 1 to 13, wherein the metal ring projects slightly into a cylinder hole and functions as a wear prevention ring for the piston. 前記冷却通路は、前記シリンダの軸心の周囲をらせん状に延びている、請求項１〜１４のいずれか１つに記載のシリンダ。   The cylinder according to any one of claims 1 to 14, wherein the cooling passage extends in a spiral around the axis of the cylinder.
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